醋酸乙烯酯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

廖愛(ài)雪，王哲慧，孟凡帥，謝大祥，左 寧，王 磊，李書(shū)珍，莫米諾

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，上海 201418；2. 常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213159；3. 恩岡代雷大學(xué) 化工學(xué)院，喀麥隆 恩岡代雷 999108)

隨著社會(huì)的發(fā)展，中國(guó)提出了“強(qiáng)化能源節(jié)約和高效利用的政策導(dǎo)向，加大節(jié)能力度，通過(guò)開(kāi)發(fā)、推廣節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能”等要求，化工企業(yè)節(jié)約能源成為生產(chǎn)必不可少的環(huán)節(jié)，優(yōu)化化工裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)，最大限度的回收、利用熱量是化工企業(yè)面臨的問(wèn)題之一[1-6]。醋酸乙烯酯是一種重要的有機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于紡織、食品、醫(yī)藥、木材加工、造紙、印刷、高分子等行業(yè)，醋酸乙烯酯生產(chǎn)工藝主要有乙炔液相法、乙烯液相法、乙炔氣相法、乙烯氣相法、乙醛醋酐加成法、羰基合成法、醋酸單一原料法等，其中乙烯液相法和乙炔液相法具有催化劑選擇性低、副產(chǎn)品多、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn)，我國(guó)的生產(chǎn)工藝以乙烯氣相法、電石乙炔法及天然氣乙炔法為主，但是生產(chǎn)裝置的能耗和污染相對(duì)較大，不符合《中國(guó)制造 2025》對(duì)于降低能耗和減少污染的要求，而裝置換熱系統(tǒng)運(yùn)行的優(yōu)劣直接影響生產(chǎn)裝置的能耗，因此，醋酸乙烯酯裝置換熱系統(tǒng)的優(yōu)化是生產(chǎn)過(guò)程能量回收利用的重要手段之一。目前，換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、綜合方法有多種，其中，夾點(diǎn)分析技術(shù)具有簡(jiǎn)單、靈活、實(shí)用、易于理解和掌握、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-9]。于文輝等[10]采用夾點(diǎn)技術(shù)分析了重芳烴分離裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)，換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后節(jié)能14.0%。張國(guó)釗等[11]利用夾點(diǎn)技術(shù)并通過(guò)Matlab分析環(huán)氧丙烷裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，提出優(yōu)化方案，熱、冷公用工程量各節(jié)約300.5 kW。馬曉明等[12]對(duì)連續(xù)重整過(guò)程進(jìn)行能量分析，實(shí)現(xiàn)了裝置的節(jié)能降耗，節(jié)能效果顯著。支魯?shù)萚13]采用夾點(diǎn)技術(shù)，對(duì)潤(rùn)滑油加氫裝置換熱網(wǎng)絡(luò)分析改造，實(shí)現(xiàn)冷卻和加熱公用工程用量分別2 881 kW。楊錦等[14]對(duì)環(huán)氧氯丙烷工藝進(jìn)行夾點(diǎn)分析研究，提出了優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)省蒸汽消耗18.8 kW。

換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的不僅是使物流溫度滿足工藝要求，而且是為了回收過(guò)程余熱，減少公用工程消耗，確定換熱網(wǎng)絡(luò)的合理匹配，從而以最小的消耗代價(jià)，獲得最大的能量利用效益。本論文針對(duì)乙炔醋酸法生產(chǎn)醋酸乙酯裝置換熱系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用夾點(diǎn)技術(shù)和Aspen Plus V10.0軟件對(duì)醋酸乙烯酯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，建立醋酸乙烯裝置換熱系統(tǒng)的模擬流程，以經(jīng)濟(jì)效益和熱負(fù)荷為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化醋酸乙烯裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，為社會(huì)和企業(yè)創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

以乙炔、醋酸為原料，經(jīng)過(guò)醋酸乙烯酯合成、醋酸乙烯酯精制、乙醛氧化、醋酸回收4個(gè)工段得到純度99.9%的醋酸乙烯酯。簡(jiǎn)易流程圖如圖1所示。

2 換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

采用Aspen Plus V10.0軟件，對(duì)醋酸乙烯酯生產(chǎn)裝置進(jìn)行模擬優(yōu)化，在優(yōu)化的工藝流程中提取用于能量集成的工藝流股，以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，合理利用裝置熱量，減少不必要的能量消耗，換熱網(wǎng)絡(luò)的模擬優(yōu)化建立在工藝設(shè)備優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

2.1 以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)流程為基礎(chǔ)建立模擬流程

裝置使用的主要公用工程為低壓蒸汽和中壓蒸汽、循環(huán)冷卻水和循環(huán)冷凍鹽水，工業(yè)用電為110 kV電力由4×350 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)燃?xì)怆姀S提供。

利用生產(chǎn)過(guò)程中使用的低壓蒸汽、中壓蒸汽、循環(huán)冷卻水、循環(huán)冷凍劑、電，參照《綜合能耗計(jì)算通則》(GB 2589-2008)對(duì)該裝置綜合能耗進(jìn)行計(jì)算。采用Aspen Plus軟件對(duì)工藝流程進(jìn)行模擬(如圖2所示)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，裝置能耗模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，說(shuō)明建立的換熱優(yōu)化系統(tǒng)的模型是正確的(見(jiàn)圖2)，可以模擬、預(yù)測(cè)、優(yōu)化實(shí)際換熱系統(tǒng)。通過(guò)建立的醋酸乙烯裝置換熱系統(tǒng)的模擬流程對(duì)裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從優(yōu)化結(jié)果看出，優(yōu)化后裝置的公用工程能耗都有所降低。

2.2 工藝流股的提取

采用Aspen Plus軟件對(duì)工藝流程進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果通過(guò)Aspen Energy Analyzer分析后提取其中的換熱流股(見(jiàn)表2)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行醋酸乙烯酯換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與設(shè)計(jì)。

圖1 醋酸乙烯酯合成工藝流程Fig.1 Process flowsheet of the synthesis of vinyl acetate

圖2 醋酸乙烯酯工藝模擬流程Fig.2 Simulation flowsheet of vinyl acetate process

表1 公用工程能耗量Tab.1 Energy consumption of public works

表2 工藝物流Tab.2 Process flow

2.3 公用工程能量計(jì)算

采用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足工藝要求的前提下，還要滿足公用工程消耗最少、換熱單元數(shù)最少和換熱面積最??；對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)裝置，達(dá)到最小公用工程消耗時(shí)，所需的換熱面積最多，而較少的換熱單元數(shù)又需要較多的公用工程消耗，因此，需要結(jié)合生產(chǎn)確定合理的節(jié)能方案，達(dá)到總投資費(fèi)用最低。而最小溫差的選擇與換熱網(wǎng)絡(luò)的操作及設(shè)備成本有直接聯(lián)系，熱公用工程和冷公用工程都隨最小溫差的增加而增大，而對(duì)于設(shè)備費(fèi)用，最小溫差存在一個(gè)最佳值，由Aspen Plus計(jì)算出總成本費(fèi)用隨最小溫差的變化規(guī)律(見(jiàn)圖3)，隨著最小溫差的增加，出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，根據(jù)工程實(shí)際，選擇最小傳熱溫差為12 ℃較為合理，總費(fèi)用最低，因此，在優(yōu)化最小溫差ΔTm=12 ℃下，進(jìn)行醋酸乙烯酯裝置換熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 最小溫差與總費(fèi)用之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between minimum temperature difference and total cost

當(dāng)ΔTm=12 ℃時(shí)，由 Aspen Plus模擬計(jì)算得到熱集成網(wǎng)絡(luò)中冷、熱流體的總組合曲線(見(jiàn)圖4)以及總組合曲線(見(jiàn)圖5)。由圖4可知，夾點(diǎn)位置為熱物流溫度127 ℃且冷物流溫度115 ℃處。此時(shí)，醋酸乙烯裝置所需的最小熱公用工程為5.48×105MW，最小冷公用工程能量為5.85×105MW。

圖4 熱物流-冷物流的組合溫焓圖Fig.4 Combined temperature enthalpy diagram of thermal flow and cold flow

由總組合曲線(見(jiàn)圖5)可以看出，在夾點(diǎn)之上存在一個(gè) “能量袋”，在“能量袋”中可以不使用公用工程，僅由物流之間換熱滿足工藝換熱要求，要達(dá)到的最高溫度為195 ℃，需要中壓蒸汽滿足冷物流的工藝需求，而夾點(diǎn)之下的物流，溫度較低，可以由冷公用工程為工藝物流提供冷量。

圖5 總組合曲線Fig.5 Total combination curve

圖6 原工藝流程換熱網(wǎng)絡(luò)(實(shí)線：冷物流；虛線：熱物流)Fig.6 Heat exchange network of original process flow (solid line: cold fluid; dotted line: hot fluid)

2.4 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

使用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)裝置能耗的分析結(jié)果(見(jiàn)表1和圖2)表明，原設(shè)計(jì)流程的換熱匹配，熱公用工程在夾點(diǎn)上方，冷公用工程在夾點(diǎn)下方，滿足夾點(diǎn)匹配的要求，能量合理流動(dòng)，但是裝置能耗偏離目標(biāo)值，存在跨越夾點(diǎn)的能量傳遞，換熱網(wǎng)絡(luò)存在不合理的設(shè)置，具有優(yōu)化潛力。目前醋酸乙烯酯裝置的公用工程為低壓蒸汽(125 ℃、175 ℃)和中壓蒸汽(250 ℃)，循環(huán)冷卻水(32 ℃)和循環(huán)冷凍鹽水(-25 ℃)，能耗較高，熱公用工程能耗為7.8 ×108kJ/h，冷公用工程能耗為8.5×108kJ/h，總能耗約為 1.64×109kJ/h，能耗較大，因此，根據(jù)夾點(diǎn)原則利用Aspen Plus Energy裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)自由度越大，獲得換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案越多。需要綜合考慮工藝流股換熱的可能性、設(shè)備費(fèi)用、操作費(fèi)用、原有設(shè)備的利用等因素，在各種改進(jìn)的方案中，應(yīng)該選取和原有流程具有最大兼容性的方案。通過(guò)Aspen Plus Energy Analyzer分析并優(yōu)化后得到4種方案(見(jiàn)表3)，根據(jù)裝置的實(shí)際生產(chǎn)情況，選取比較經(jīng)濟(jì)合理，且換熱單元數(shù)最少的方案進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化分析。

表3 不同的換熱網(wǎng)絡(luò)方案Tab.3 Different heat exchange network schemes

在Aspen Plus Energy Analyzer給出的方案中選取比較經(jīng)濟(jì)、合理及所需換熱器較少的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。由分析可知，方案1存在部分流股不能滿足工藝要求;方案4存在跨越夾點(diǎn)換熱;方案2存在較多的熱負(fù)荷較小的換熱器，增加了流程的復(fù)雜性;而方案3總費(fèi)用最少，換熱面積較小，因此選取方案3(見(jiàn)圖6)進(jìn)一步優(yōu)化。

利用Aspen Plus軟件對(duì)方案3進(jìn)行夾點(diǎn)分析和優(yōu)化，分析結(jié)果見(jiàn)表3。優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)中，冷、熱公用工程分別在夾點(diǎn)的兩側(cè)，沒(méi)有跨夾點(diǎn)的傳熱，因此，優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)符合夾點(diǎn)設(shè)計(jì)原則。相比優(yōu)化前換熱網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程用量和冷公用工程用量，優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)的熱公用工程用量和冷公用工程用量(節(jié)能3.342 MW，冷公用工程400.5 MW，熱公用工程398.3 MW)分別降低了27.3%和31.5%。換熱網(wǎng)絡(luò)方案中換熱器有42臺(tái)，在不增加設(shè)備的情況下，盡量利用現(xiàn)有設(shè)備，避免不必要的設(shè)備資源浪費(fèi)，同時(shí)，換熱網(wǎng)絡(luò)中的換熱回路，采用能量松弛法，通過(guò)熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移，將其合并到其他換熱回路，減少了換熱器數(shù)目。經(jīng)Aspen Plus調(diào)節(jié)優(yōu)化后，最終的優(yōu)化方案如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡(luò)(實(shí)線：冷物流；虛線：熱物流)Fig.7 Optimized heat exchange network (Solid line: cold fluid; dotted line: Hot fluid)

優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)所需換熱器臺(tái)數(shù)由原方案的42臺(tái)降為31臺(tái)，減少了11臺(tái)，公用工程負(fù)荷大大降低(見(jiàn)表4)，優(yōu)化后裝置冷、熱公用工程節(jié)能潛力分別為184.9 MW 和149.8 MW。

表4 公用工程消耗量Tab.4 Consumption of public works

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)醋酸乙烯酯裝置能耗問(wèn)題，在利用Aspenplus軟件對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用夾點(diǎn)分析法，確定了換熱網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)匹配改造方案。與初始工況相比，優(yōu)化后的醋酸乙烯酯裝置總能耗降低29.5%，冷、熱公用工程消耗分別下降31.5%和27.3%，減少換熱器設(shè)備11臺(tái)，年節(jié)約能耗334.7 MW，能耗降低效益明顯；另外，針對(duì)耗能較大的其他化工裝置，采用該換熱系統(tǒng)集成模擬技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)裝置用能網(wǎng)絡(luò)的不足，為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能、增效提供支持。